毕业设计（论文）-单片机液体点滴速度监控装置设计.doc

毕 业 设 计 论 文题 目 单片机液体点滴速度监控装置设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 学号 学生姓名 导师姓名 完成日期 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 单片机液体点滴速度控制装置设计 姓名 系别 电气与信息工程系 专业 自动化专业 班级 学号 指导老师 教研室主任 一、 基本任务及要求： 以单片机为核心，设计一个液体点滴速度监测与控制装置，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。包括：1、单片机的选择；2、总体方案的确定；3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、各模块调试；6、编写设计说明书等。 二、 进度安排及完成时间：1、 第一周至第二周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。2、 第三周至第四周：查阅相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，分配课题任务，确定个人研究重点，做好选题报告。3、 第五周至第八周：根据自己研究的方向，确定自己的总体设计方案，设计硬件总体模块图及软件模块图。4、 第九周至第十五周：完成本系统控制装置的软、硬件设计及调试。 5、 第十六周至第十七周：整理资料，准备答辩。 前 言随着科学技术的发展，社会的进步，微型计算机技术得到了广泛的发展和应用，特别是单片机技术的发展，其档次越来越高，功能越来越强。它将冲击着人类的方方面面，使其应用领域不断扩大，广泛应用于工业测控、尖端科学、智能仪器仪表、日用家电等领域中。目前医院使用的点滴输液装置是将液体容器挂在一定的高度上，利用势差将液体输入到病人体内，通过软管夹对胶管口径的压紧和放松来控制滴速。这就需要根据所输药剂的特性对滴速进行严格控制，但这对于一般病人来说难以自助，所以就需要一种自动的可以定时检测的智能型液体点滴速度监控装置。单片机液体点滴速度监控装置就是单片机在液体点滴速度控制上应用的一个实例，此系统是以单片机为核心，设计出一个液体点滴速度监测与控制装置，能检测点滴速度，控制点滴速度，并能发出报警信号。系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。设计的主要内容是完成群控系统控制装置的软、硬件设计及调试。包括：1、单片机的选择；2、总体方案的确定；3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、各模块调试；6、编写设计说明书等。在液体点滴速度监控装置中，广泛应用8051兼容单片机系统控制，以期实现价格低廉、应用灵活的特点。检测液体点滴速度可用光电耦合传感器或者红外线传感器。液面检测可用红外线传感器或电容式传感器均可达到课题的要求。键盘显示部分采用普通的按键键盘和七段LED数码显示管，也有采用简单液晶显示器。驱动部分大多数进行步进电机驱动，也有少数采用交流异步电机驱动，如果采用步进电机在控制部分加一控制电路部分或程序，使其能够在停止运行时自动闭锁或者在机械部分采用涡轮蜗杆机构，防止电机因点滴瓶的重力拽下来。通讯方式可以采用RS232或RS485的方式。报警器一般采用蜂鸣器或者报警灯或者两者兼有之。本文共分五章。第一章为单片机应用系统及群控系统的有关内容；第二章是对总体方案的确定；第三章是对具体的每个模块的硬件设计；第四章是对每个硬件模块的软件设计；第五章是实际测量部分。最后附有结束语、致谢、参考文献及附录。同时感谢伍萍辉老师给予的指导和帮助 目 录摘要Abstract第1章 绪论1 1.1 单片机应用系统概述1 1.2 群控系统概述3第2章 总体方案的设计62.1 技术要求62.2 系统总体模块图72.3 从机各模块图的设计7 2.3.1 单片机的选择72.3.2 点滴速度测量7 2.3.3 液面检测和报警92.3.4 液体点滴速度的控制102.3.5 控制电机及其驱动102.3.6 设定滴速与键盘显示11 2.4 主从机通信模块图设计13第3章 硬件设计14 3.1 从站各模块的硬件设计14 3.1.1 滴速检测143.1.2 液面检测和报警15 3.1.3 点滴速度控制153.1.4 键盘显示173.1.5 声光报警电路19 3.2 主从站通信电路的实现19第4章 软件设计214.1 从站程序设计214.1.1 从机模块图214.1.2 从机主程序流程图214.1.3 滴速测量程序244.1.4 滴速控制程序264.1.5 键盘控制程序264.2 通信程序设计28第5章 实际测试365.1 测试设备365.2 测试结果36结束语38参考文献39致谢40附录A 从站电路图 41附录B 主站电路图 42附录C 程序清单 43湖南工程学院毕业设计论文单片机液体点滴速度监控装置设计摘要：本系统是以AT89C51单片机为核心，对医疗注射进行有效监控的一种智能型设备。采用红外线传感器对液滴速度和液面进行检测；利用单片机之间的通信功能，采用RS-485通信方式进行多点对多点的通信，设计一个主站控制多个从站的有线监控系统。主站主要用来控制各个从站并且能对从站的反馈信息进行报警显示；从站主要是检测点滴速度和控制点滴速度，同时检测液面是否到达警戒线，并且能对异常现象进行报警，这里还采用了8279键盘显示电路用来设定和显示滴速，采用步进电机来调节点滴速度。关键字：单片机液体点滴 RS-485通信 红外传感器Equipment of liquid droplet monitor controlled by microcontrollerAbstract: The system is an automatic equipment basing on microcontroller AT89C51 to control the medical injecting efficiently. Adopting infrared sensor to check and measure the speed of liquid droplet and the high of the liquids surface in the droplet bottle. Using communication among microcontroller ,I adopt RS-485 as the way of communication to march the communication of sites to sites to design an automatic system of a major site controlling sixteen subordinate sites. The major site mainly controls the sixteen subordinate ones and gives alarm and shows the information that subordinate sites feedback. The subordinate sites mainly check the speed of liquid droplet and control the speed and also control whether the liquid surface achieves the cordon, moreover, can give alarm if there are abnormal phenomenon. I adopt the keyboard indicators circuit of 8279 chip to set and show the speed of droplet. I also use PM electrical machinery to regulate the speed of droplet.Key words: microcontroller of liquid droplet, RS-485 communication system, infrared sensor41第1章 绪论1. 1 单片机应用系统概述1.1.1 单片机及其特点随着半导体大规模集成电路的不断发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机的早期含义为单片微型计算机，准确反映单片机的本质叫法应为微处理器。一块单片机芯片就是一台计算机。由于单片机的这种特殊结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用的微型计算机无法完成的一些工作。使起具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到的迅猛的发展。单片机的特点可归纳为以下几个方面：（1）性能价格比高；（2）控制功能强；（3）低电压、低功耗；（4）集成度及可靠性高。1.1.2 单片机的一般结构单片机通常由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能部件通过内部总线相互连接起来。RAMROM时钟OSCCPU中断定时/计数器各种I/O图1.1 单片机典型结构框图1.1.3 单片机的应用领域由于单片机具有上述显著特点，其应用领域无所不至，无论是工业部门，民用部门乃至事业部门，到处都有它的摄影。现将单片机的应用大致归纳为以下几个方面：（1）在智能仪器仪表中的应用。在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比；（2）在机电一体化中的应用。如数控机械、缝纫机械、医疗设备等领域；（3）在实时过程控制中的应用。如工业过程控制、过程监测、航空航天、尖端武器、机器人系统等各种实时控制系统；（4）在人类生活中的应用。目前国内外各种家用电器已普遍采用单片机代替传统的控制电路，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、收音机、音响、电风扇及许多高级电子玩具都配上了单片机；（5）在其他方面的应用。单片机除以上各方面的应用之外，它还广泛应用于办公自动化领域、商业营销领域、汽车及通信系统、计算机外部设备、模糊控制等各领域中。1.1.4 单片机的发展单片机的发展经历了三个阶段: 第一代单片机始于1976年,以Intel公司的MCS-48系列为代表,其特点是采用专门的结构设计.这个系列的弹片机在片内集成了8位,并行I/O口,8位定时计数器,RAM,ROM等.无串行I/O口,中断处理较简单,片内RAM,ROM容量较小,且寻址范围小于4KB.多用于家用电器,计算器和高级玩具. 第二代单片机以Intel公司的MCS-51系列为代表,其技术特点是完善了外部总线,并确立的单片机的控制功能.外部并行总线规范化为16位地址总线，用以寻址外部64KB的程序存储器和数据存储器空间；8位数据总线及相应的控制总线，形成完整的并行三总线结构。同时还提供了多机通讯功能的串行I/O口，具有多级中断处理，16位的定时/计数器，片内的RAM和ROM容量增大，有的片内还带有A/D转换接口。 第三代单片机的显著技术特点是全速发展单片机的控制功能,是8位单片机的高性能阶段及16位单片机发展阶段.另外技术学科的边缘性以及电气商的广泛介入是第三代单片机的重要标志.从单片机的结构功能上看,单片机的发展趋势将向大容量高性能,小容量低价格和外围电路内装化等几个方面发展.单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制，系统。单片机应用系统就是利用单片机位某目的而设计的单片机专用系统。单片机应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。硬件和软件只有紧密相结合，协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线仿真调试、程序固化等几个阶段。1.2 群控系统概述随着多微机系统的应用和微机网络的发展，通信功能越来越显得重要。这里所说的通信是指计算机与外界的信息交换。因此，通信既包括计算机与外部设备之间，也包括计算机与计算机的信息交换。串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，这根线既作数据线又作为联络线。串行接口所直接面向的并不是某个具体的通信设备，而是一种串行通信的接口标准。串行通信接口标准经过使用和发展，目前以有几种，如：RS-232，RS-485，RS-422A等。RS-232接口标准适合于数据传输速率在02000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确的规定。由于通信设备厂商都生产与RS-232制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机串行通信接口中广泛采用。远距离与近距离通信时，所使用的信号线是不同的。所谓近距离是指传输距离小于15米的通信。在15米以上的远距离通信时，一般要加调制解调器MODEM。故所使用的信号线较多。此时，若在通信双方的MODEM之间采用专用电话线进行通信，则只要使用28号信号线进行联络与控制，如图1.1所示。若在双方MODEM之间采用普通电话交换线进行通信，则还要增加RI（22号线）和DTR（20号线）两个信号线进行联络。调制解调器2 接8 口CTSRTSRxDTxD调制解调器CTSRTSRxDTxD接 2口 8计算机DSRDSR专用电话线SGDCDSGSG DCDSGDCD 图1.1 采用MODEM时RS-232信号线的使用近距离通信时，不采用调制解调器MODEM，通信方式可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。最简单的情况，在通信中根本不要RS-232的控制联络信号，只需使用3根线（发送线TXD、接受线RXD、信号地线SG）便可实现全双工异步串行通信。RS-422A接口标准是一种平衡方式传输。所谓平衡方式，是指双端发送和双端接收，所以传送信号要用两条线AA和BB，发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动接收器，如下图1.2所示。平衡发送器 差动接收器 A RS-422电平 A MC3487 MC3486 B B 图1.2 RS-422标准传输线连接这个标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输线之间的电位差值来决定，当AA线的电平比BB线的电平高于200mV时表示逻辑“1”；当AA线的电平比BB线的电平低于200mV时表示逻辑“0”。很明显，这种方式和RS-232采用单端接收器和单端发送器，只用一条信号线传送信息，并且根据该信号线上电平相对于公共的信号地电平的大小来决定逻辑“1”和“0”是不相同的。RS-232接口标准的电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过差动接收器，把电位差变成逻辑电平，实现终端的信息接受。RS-422标准由于用了双线传输，大大增强了抗共模干扰的能力。因此最大传输速率可达10Mb/s（传送15米时）。若传输速率降到90Kb/s时，最大距离可达1200米。该标准规定电路中只许有1个发送器，可有多个接收器该标准允许驱动器输出为2-6V，接收器输入电平可以低到200mV。RS-485和RS-422标准一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和RS-422兼容，并且扩展了RS-422的功能。两者主要差别是，RS-422标准只许电路中有一个发送器，而RS-485标准允许在电路中可有多个发送器，因此，它是一种多发送器的标准。所以它可以实现多点对多点的通信。本课题属于一种群控系统，群控系统的概念出现在很多领域中，如电梯群控、温度控制的群控等，群控顾名思义就是一种群体控制，这个群体就是要通过一定的总线连接，选取一定的总线通讯芯片，再加上一定的软件算法来达到有计划有规律的群体控制。题目要求设计并制作一个由主站控制16个从站的有线监控系统，这就要求主站与16个从站之间要采用某种方式，从而实现主站对16个从站的群控，而群控的具体做法就是对通讯方式的选择以及具体的软件编程，这里我们通讯方式采用抗干扰能力较强的RS-485通信协议。它在很多领域得到了广泛的应用，它可以多点之间或者使用公用线通信，它传输距离远、速度快。由于可以多点对多点通信，故能实现题目要求的主站对多个从站的群控，从而满足题目的要求。第2章 总体方案的设计2.1 技术要求设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置，示意图如右图所示。2.1.1 基本要求h1h2电动机滑轮点滴移动支架储液瓶瓶受液瓶滴斗滴速夹（1）在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。（2）通过改变h2控制点滴速度，如右图所示；也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20150(滴/分)，控制误差范围为设定值10%1滴。（3）调整时间3分钟（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。（4）当h1降到警戒值（23cm）时，能发出报警信号。2.1.2 发挥部分设计并制作一个由主站控制16个从站的有线监控系统。16个从站中，只有一个从站是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置，其它从站为模拟从站 (仅要求制作一个模拟从站)。（1）主站功能： a具有定点和巡回检测两种方式。b可显示从站传输过来的从站号和点滴速度。c在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的点滴速度。 d收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号；可用手动方式解除报警状态。（2）从站功能：a能输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可以任意设定。b接收主站设定的点滴速度信息并显示。c对异常情况进行报警。（3）主站和从站间的通信方式不限，通信协议自定，但应尽量减少信号传输线的数量。2.2 系统总体模块图 根据题目的要求，我们可将液体点滴速度监控装置的主要功能归纳为以下几个方面：滴速检测与控制，液面检测与报警以及主从机的通信等，具体模块如图2.1所示：主 机从机1 键盘显示控制滴速滴速检测与报警从机16液面检测与报警图2.1 总体模块图2.3 从机各模块图的设计2.3.1 单片机的选择本系统主从两站均采用AT89C51单片机进行控制，此单片机特点是性价比高。2.3.2 点滴速度测量对点滴速度的检测大致原理是记录在一段时间内滴下的野地数量，用单片机定时器计时，这样关键是要对落下的野地准确计数，可以考虑到以下几种方案：方案一：利用点滴液体的极性，在运动时会引起周围电磁场的变化。在滴斗的中部加一金属片绕成的闭合圆环，在液滴落下时，会因这个电磁场的变化，圆环上产生静电压的变化，相当于一个微弱的脉冲信号。在圆环上引出信号，用高阻抗放大器放大处理，再整形成方波脉冲输入单片机计数，如图2.2：图2.2 脉冲整形电路用这种方法得到的信号极弱，需要对外界干扰进行屏蔽才能捕获，而且对放大器的要求也比较高，一般情况下很难实现。方案二：采用超声波传感器。在滴斗的外壁上固定对超声波发射和接收的传感器，用39。8KHZ的脉冲调制发射，发射和接收头对称放置在滴斗两侧，让两者正对放置。当点滴落下经过传感器之间时，挡住接收头接收信号，将产生一个低电平的脉冲信号，在接收头接收解调，用施密特触发器检出该信号，送单片机计数一次。这样也是建立液滴与电脉冲信号的对应关系，实现点滴计数。但由于超声波装置的调试麻烦，一般的超声波传感器相对液体体积太大，即使液滴垂直落下，所能阻挡的超声波信号也有限，使得接收到的电信号极其微弱，受外界干扰太大；而且滴斗壁对超声波的反映较强，使信号穿透滴斗在另一边接收比较困难，要保证信号强度需要较高电压，这对病人以及医护人员的操作也会造成一定的危险。方案三：采用红外发射-接收管作为传感器来检测点滴。采用断续式工作方式，在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号。由于红外对管的发射口直径较小，单光束发射，液体相对红外装置正交落下时，产生的信号很强，很容易检测处理。考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可以大幅度减少外界干扰。同时，红外传感器有很多优点：尺寸小，质量轻，安装在滴斗上较简单，对辅助电路要求少，在近距离可以直接用直流发射，电路简单，性能稳定。这个方案有效简单，容易实现。故采用方案三，采用脉冲调制的红外对管发射接收来检测滴速。2.3.3 液面检测和报警题目要求当瓶内液面降到23cm时，能发出报警信号。这里关键是如何检测到液面高度，而发出报警信号则较容易实现。检测液面高度有很多方法：方案一：采用电容传感器测量液位。在储液瓶身外贴2块金属薄片作为传感电容，储液面下降，电容两极间的介质常数减小，传感电容的电容值减小，再经过电容/电压变换器转换为电压值，这种方案虽然简单，但由于不同的药液有不同的电容值，加之为了使电容量的变化比较明显，瓶身外的金属薄片设计比较大，影响对液面的肉眼观察，所以不太适用于临床使用，而且在实际制作中误差较大，金属箔也不易固定。方案二：采用直射式红外线传感器检测。利用红外线在液体和空气对红外线吸收的不同，通过一组在同一直线上的红外发射接收管，在保持红外发射管发射光光强不变的情况下，检测红外接收管接收红外线强度。当液面高度高于设定高度时红外线接收管接收到红外线光强应小于当液面高度低于设定高度时红外接收管接收到的红外线光强，如图2.3：图2.3 直射式红外传感器检测示意图方案三：采用全反射式红外线传感器检测。红外线从液体射到空气的界面时，如果入射角大于临界角会发生全反射现象，利用这一原理，通过一组在同一直线上的红外发射接收管，在保持红外发射管发射光光强不变和红外发射接收管相对角度大于100度并保持相对位置不变的情况下，检测红外接收管接收红外线强度，如图2.4示： 图1 图2图2.4 全反射式红外传感器检测示意图当液面高度高于设定高度时，大部分全反射光线不能到达红外接收管，接收管接收到的红外线强度较小如（图1）；当液面高度到达设定高度时，大部分全反射光线可到达红外接收管，接收管接收到的红外线强度较大，如（图2）所示。通过转换电路将红外线接收光强转换为电压信号，用比较器与门限电平比较，则可实现液面控制报警。由于方案二红外接收管接收红外线强度在两种状态的变化不如方案三的变化明显，方案三可靠性较高，而且方案二的门限电平液体物理特征有明显关系，门限电平需根据液体不同而变化，因题目要求报警液位为23cm，方案三液体物理特征引起的误差符合题目要求且门限电平不需要根据液体不同而变化，故选择方案三。2.3.4 液体点滴速度的控制根据题目的要求，有两个办法。方案一：通过电机驱动控制输液软管夹头的松紧来调节点滴的滴速，但在执行元件的选取上要花费脑筋，虽然这种方法优点是控制较精细，调整较迅速，稳定性也比较好，另外，在控制较慢的滴速时容易使塑料软管夹的过紧而变形，从而使液滴由慢速向快速调整过程耗时太长，这只能用于粗调。方案二：通过电机驱动控制储液瓶升高或降低（改变h2）,来调节点滴的滴速，通过改变出口与储液瓶处的压强。这种方法简单易实现，故采用方案二。2.3.5 控制电机及其驱动方案一：采用由达林顿管组成的H型PWM桥式驱动电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高。H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性极强，是一种广泛采用的PWM调速技术，但成本相对较高。方案二：采用电阻网络或数字电位器调整直流电动机的分压，从而达到调整的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵。更主要问题在于一般电动机的电阻很小，当电流很大，分压不仅会降低效率，而且也较难实现。方案三：用电机实时调节，并辅以测距电路，测量滴斗与地面的距离，根据高度与滴速的对应关系，决定下一步的移动距离，加以调节。用经验值和实测值一块控制电机动作，以最快的速度完成调节，精度较高，但测距装置电路太复杂，且对于不能严格控制转速的电机意义不大。方案四：用步进电机牵引储液瓶，保证储液瓶和滴斗之间的相对距离不变，设定最初的高度，检测当前滴速，根据经验公式，即高度与滴速之间的关系控制电机的转数，达到合适的高度。由于步进电机的转数很容易控制，测出转轴直径就可以知道瓶子经过的距离，多次调节即可达到设定的滴速。经分析，采用方案四。2.3.6 设定滴速与键盘显示在这里，键盘显示用8279可编程的接口芯片。设定点滴速度用44键盘，用于主站设定要查询的从站数量、从站号和滴速；用于从站设定点滴速度和从站号。显示部分用LED数码管，用于主站显示从站号和该从站的点滴速度；用于从站显示该从站的从站号和点滴速度。主站键盘布局如下图： 图2.5 主站键盘布局数码管显示： 图2.6 数码管显示说明：4*4键盘中，数字键用于设定从站号、点滴速度、从站数量，设定时采用分频显示。按下设定键，便可以开始设置，用最左边的两个数码管显示16个从站号（显示范围：015），中间的三个数码管显示设定点滴速度，右边的三个数码管显示测量点滴速度（显示范围：20150，十进制），设置完成后按确认键；按定点检测开始对设定的从站进行定点检测；按巡回检测键，将循环检测设定的各个从站的点滴速度，同时显示从站号；取消键用于取消输入及解除报警；统计键用于检测所设定的从站数。从站键盘布局如下图： 7 8 9 Set 4 5 6 Speed set 1 2 3 Enter 0 修改键 Cancel 图2.7 从站键盘布局按键功能说明：1） 09为数字键，该数字键表示从站号或者速度；2） Speed Set键的功能：设置点滴速度的功能键；3） Enter键功能：确认键。4） Cancel键功能：删除当前所设置的数值。例如：设置第10号从站的点滴速度为120滴/分（从站号第一到第十六分别为0-F）步骤如下：1） 先按下Speed set键，表示开始设置站号和速度。2） 再输入1、0键，表示输入第10从站号。3） 依次输入1、2、0，表示所设置的速度。4） 按Enter键，表示确认。5） 设置完毕。数码管用八位LED显示器。2.4 主从机通信方案一：采用RS-232进行通讯，此传输方式只能点对点通讯，不能满足题目的群控要求。方案二：采用RS-485进行通讯。RS-485串行通信协议采用平衡信号差电路传输高速信号，噪声低，又可以多点之间或使用公用线通信，它比RS-232传输距离长、速度快，在传输距离为120 m时传输速率可达到1Mbps；如果采用较低的传输速率，如9600bps，最大传输距离可达1200米，效果较好。故选择方案二。至此，我们可设计出该系统的整体框图如下图：电动机储液瓶红外传感器报警从站报警滴斗键盘显示红外传感器其他从站主站 RS-485 图2.8 总体功能模块图第3章 硬件设计3.1 从站各模块的硬件设计3.1.1 滴速检测利用红外线在液体和空气中对红外线折射的不同，通过一组在同一直线上的红外发射接收管，在保持红外发射管发射光光强不变的情况下，检测红外接收管接收红外线的强度，原理图如下图所示：图3.1 红外传感器检测滴速示意图当液滴通过时，红外接收管接收到红外线光强应大于当无液滴通过时红外接收管接收到的红外线光强。 通过脉冲整形电路得到具体液滴滴速检测，电路图如下：图3.2 脉冲整形电路 当发射管和接收管之间有液滴通过时，接收管导通，Vin输出的脉冲信号加在运算放大器LM324的反相输入端，LM324的正相输入端输入门限电压VG，将脉冲信号整形后，产生Vout，为一串规则的方波脉冲，脉冲数与液滴滴速一一对应，Vin、VG和VOUT工作波形如下图3.3所示。发射管限流电阻R4去200欧，电流约为20mA，调节电位器W2可调整门限电压，以抑制干扰。图3.3 整形后的脉冲波形3.1.2 液面检测及报警红外线从液体射到空气的截面时如果入射角大于临界角会发生全反射现象，利用这一原理，通过一组在同一直线上的红外发射接收管，在保持红外发射管发射光光强不变和红外发射接收管相对角度大于100度并保持相对位置不变的情况下，检测红外接收管接收红外线的强度。如图1所示，当液面高度高于设定高度时，大部分全反射光线不能到达红外接收管，接收管接收到的红外线强度较小；如图2所示，当液面高度到达设定高度时，大部分全反射光线可到达红外接收管，接收管接收到的红外线强度较大。在此装置中，红外接收管输出的是电平信号而不是脉冲信号，可通过一运算放大器LM324送单片机中断处理，电路图与滴速检测的转换电路类似。图3.4 电平放大电路这样可以准确检测到液面下降到警戒线时的情况，由单片机志向中断程序，发出报警信号。3.1.3 点滴滴速控制点滴控制靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号控制电机上升或下降，从而调节滴斗的高度。单片机的输出信号是由所测量的点滴速度决定的。当测量速度小于设定速度时，要求电机正转，带动瓶子升高，则点滴速度增加；反之，当测量速度大于设定速度时，要求电动机反转，使瓶子降低，从而点滴速度降低。步进电机正转反转的控制以及控制精度，并尽量减少设定速度到稳定的时间，必须对反馈信号处理，选择合适的程序。电机控制采用四相五线永磁步进电机，以四相八拍方式工作。单片机的P2口分别接电机的A、B、C和D相，步进电机的驱动电路如下图所示：图3.5 步进电机工作方式按A AB B BC C CD D DA次序通电为正转，带动储液瓶升高；按D DC C CB B BAAAD次序通电为反转，带动储液瓶下降。75451为OC门，单个OC门的吸收电流为500mA，每相采用一对OC门驱动，吸收电流可达1A。当控制A相的P2。0输入低电平时，A相导通，步进电机转到A相，依此类推，其他相工作原理与此相同；当电路中两相同时输入低电平时，步进电机转到两相之间。此方式工作需要换相8次，转子才转动一个齿距角，所以步进电机的精度比较高，通过调整脉冲周期可控制步进电机转速。图中二极管和电阻构成泄放电路，以保护OC门不会因步进电机突然停止时在电路中产生过高电压而损坏。在电机调速的过程中，如果设定的点滴速度过快，可能会使输液瓶上升到支架顶部，则可能拉倒支架，造成危险，因此，在支架的顶部也安装一个红外传感器，当输液瓶上升到极限时，就发出报警信号，通知单片机控制电机停转。3.1.4 键盘显示按照题目要求，主从两站需分别设置键盘及显示器，这里均采用4*4键盘和八位LED显示器。主站的键盘显示主要用于定点检测和巡回检测，定点检测就是在巡回检测的过程中可随意在主站的键盘上设定所要检测的从站号和该从站的点滴速度以及所要检测的从站数量；显示器主要显示从站号和该从站的点滴速度。从站主要是通过键盘来设置本从站的点滴速度和从站号，显示器主要用于显示从站号和所测量的点滴速度。主要通过可编程键盘显示器接口8259来驱动。在键盘显示工作方式中，SL0SL3输出键盘列扫描和动态显示的位扫描信号。当选择内部译码方式时，SL0SL3直接作键盘列（行）扫描线和显示四位扫描线，SL0SL7输入键盘行（列）线信号，显示器字行码有OUTA03、OUTB03输出，此时，8279可接4位8段显示器和4*8的键盘。 当选择外部译码方式时，键盘列（行）扫描线由SL0SL2通过3-8译码器译码提供（因输入数据格式中只安排了3位表示列 （行）号，故只取SL0SL2三位译码 ），RL0RL7输入键盘行（列）线信号，故此时8279可接一个8*8的键盘。显示位扫描线可由SL0SL3通过4-16译码器译码提供，显示器字形码由OOUTA03、OUTB03输出。此时，8279可接16位显示器，这是8279显示器的最大配置。 CNNTL、SHIFT可接两个单独的开关键。SHIFT作为上下档控制键。当SHIFT线对地接一个按键时，可与8*8的键盘配合，使各键具有上下档功能。这样，键盘可扩充到128键。CNTL与其他键连用，作为特殊命令键。CNTL线对地接一键作为控制键时，可将键盘扩充到256键。CNTL、SHIFT线也可不用，不用时可直接接地（因片内集成有上拉电阻）。BD信号线可用来控制译码器，实现显示器的消隐。8279的数据线、WR、RD信号线与8031单片机直接连接。CS、A0接8031地址线，时钟信号CLK可与ALE直接连接，由8279设置适当的分频系数，将其分频至100kHZ。本设计用到4*4键盘和八位显示器，具体电路图如下：图3.6 8279键盘显示器电路8279是一种可编程键盘显示器接口芯片，它主要由键盘输入和显示输出以及相应的寄存器和I/O口控制电路及数据缓冲器等组成。8279采用40引脚封装，其中：（1）与CPU的引脚有：D0-D7双向、三态数据总线；RESET复位信号，输入线，当RESET=1时，8279复位；RD/、WR/ 读、写选通信号，输入线，低电平有效；CS/片选；AO：输入线，区分信息特性，为1表示写入命令或读出8279状态；为0时表示传送的是数据；IRQ中断请求输出线，高电平有效；CLK系统时钟输入线；（2）与键盘接口的引脚有：RL0-RL7回复输入线；SL0-SL7用于键盘的行扫描输出线；SHIFT移位信号输入线，高电平有效；CNTL/STB控制/选通输入线，高电平有效；（3）与显示器接口的引脚：OUTA0-OUTA3 A组显示数据的段码输出线；OUTB0-OUTB3 B组显示数据的段码输出线；BD/ 显示器熄灭输出线，低电平有效。图中8708为驱动器。3.1.5 声光报警电路本设计采用声报警与光报警相结合的报警电路，其中光报警电路接单片机P1.7口，声报警电路接单片机的P1.6口，当滴速反常或者液面下降到设定警戒线时，将由红外传感器收集的信号经放大器送单片机申请中断，从而单片机将发出命令送报警电路。具体电路如图3.9所示： 图3.9声光报警电路图3.2 主从站的通信电路的实现本系统采用主站控制多个从站的有线控制方式，这里主要采用RS-485通信方式。RS-485标准是一种多发送器的标准，他允许在电路中可有多个发送器。RS-485允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是驱动发送器、接收器或收发器组合单元。RS-485的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用一传输线的多点应用，配置如下图：图3.7 通信电路结构图RS-485标准的特点有：a、由于RS-485标准采用差动发送/接收，所以共模抑制比高，抗干扰能力强；b、传输速率高，他允许的最大传输速率可达10Mb/s（传送15m）。传输信号的摆幅小（200mV）；c、传送距离远（指无MODEM的直接传输），采用双绞线，在不用MODEM的情况下，当100Kb/s的传输速率时，可传送的距离为1.2Km，若传输速率下降，则传送距离又更远;d、能实现多点对多点通信，RS-485允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器对。RS-485标准目前已在许多方面得到应用，尤其是在多点通信系统中，如工业集散分布系统、商业POS收款机和考勤机的联网中用的较多，是一个很有发展前途的串行通信接口标准。主从机之间的接口结构图为：RS-485主站从站16从站1 图3.8 主从机接口结构图第4章 软件设计4.1 从站程序设计 我们知道，每个完整的系统都是由硬件和软件想结合而产生的。有了硬件而无软件，那么这个硬件只是一个躯壳，如果没有硬件的支撑，更谈不上什么软件。所以说，软硬件是相辅相成的，在硬件的基础上来设计软件可以完成系统的要求，从而构成一个完整的系统。4.1.1 从站模块图 在硬件设计中，我们把从站分成了几个小模块，在软件的设计中，同样也应如此。从站的软件设计由几个模块组成，首先是从站的主程序的设计，这个程序是从机用来调用各个小模块，从而达到控制各模块的作用